JP5822194B2 - 半導体検査方法および半導体検査装置 - Google Patents

Description

この発明は、レーザパルス光を使って半導体デバイスを検査する技術に関し、特に、レーザパルス光の照射に応じて半導体デバイスから発生する電磁波パルスの電界強度を高めるための技術に関する。

半導体デバイスの不良解析、故障解析をするため、ｐｎ接合部の欠陥箇所または配線の断線、ショート、高抵抗箇所など、各種欠陥を検出する方法がこれまでにも提案されている。

例えば、半導体デバイスの検査手法として、いわゆるＯＢＩＣ（Optical Beam Induced Current）現象を検出するものが知られている。この検査では、半導体デバイスに逆バイアス電圧を印加するため、半導体デバイスにボンディングを行って外部の電圧印加装置と電気的に接続する必要があった。また、半導体デバイスの製造する工程の途中では、半導体デバイスと外部電圧印加装置とを接続することが困難となっている。そこで、非接触状態で半導体デバイスを検査する技術が提案されている（例えば特許文献１）。

具体的に、特許文献１の検査方法は、レーザパルス光を半導体デバイスに照射することによって、各種欠陥箇所を検出するものである。半導体デバイスに含まれるｐｎ接合部などの電界が存在する箇所に、レーザパルス光が照射されると、その部分から電磁波パルスが発生する。この発生した電磁波パルスの検出に基づいて、半導体デバイスにおける欠陥箇所の検出が行われる。このような検査方法の場合、半導体デバイスに対して非接触状態で検査を行うことができる。したがって、製造工程途中の半導体デバイスであっても、検査対象とすることができる。

特開２００６−２４７７４号公報

ところで、特許文献１の検査方法の場合、非接触での検査を実現するため、半導体デバイスに逆バイアス電圧を印加せずに検査が行われる。しかしながら、半導体デバイスの内部に存在する電界は比較的弱い。したがって、発生する電磁波パルスの電界強度も微弱なために、検出することが困難な場合がある。このため、検査装置の装置構成または測定条件の最適化によってノイズ成分を減少させ、電磁波パルスの測定感度を向上させる必要があった。したがって、準備に多大な時間が必要であり、また煩雑なものとなっている。そこで、非接触状態でありながら、電磁波パルスの検出感度を向上させる技術が望まれている。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、レーザパルス光の照射に応じて半導体デバイスにて発生する電磁波パルスの強度を非接触状態で向上させる技術を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、第１の態様は、ｎ型半導体及びｐ型半導体を有する半導体デバイスを検査する半導体検査装置において、半導体デバイスに対してレーザパルス光を照射する第一照射部と、前記レーザパルス光が照射される照射位置に対して、付与される電界の向きがｎ型半導体からｐ型半導体へ向かう方向である逆方向バイアスをかけるための逆バイアス用電磁波パルスを照射する第二照射部と、前記レーザパルス光の照射に応じて前記照射位置から放射される電磁波パルスを検出する検出部とを備える。

また、第２の態様は、第１の態様に係る半導体検査装置において、前記第二照射部は、前記レーザパルス光を発生させる光源と同一の光源を利用して、前記逆バイアス用電磁波パルスを発生させる。

また、第３の態様は、第１または第２の態様に係る半導体検査装置において、前記照射位置における半導体の構造を特定する構造特定部、をさらに備える。

また、第４の態様は、第１から第３の態様のうちいずれか１態様に係る半導体検査装置において、前記レーザパルス光の照射位置を移動させることにより、半導体デバイスを二次元的に走査する走査機構、をさらに備える。

また、第５の態様は、ｎ型半導体及びｐ型半導体を有する半導体デバイスを検査する半導体検査方法において、(a)所要の波長を有するレーザパルス光を半導体デバイスに照射する工程と、(b)前記(a)工程において、前記レーザパルス光が照射される照射位置に対して、付与される電界の向きがｎ型半導体からｐ型半導体へ向かう方向である逆方向バイアスをかけるために、逆バイアス用電磁波パルスを照射する工程と、(c)前記(a)工程において、前記レーザパルス光の照射に応じて前記照射位置から放射される電磁波パルスを検出する工程とを含む。

第１の態様に係る半導体検査装置によると、非接触で逆方向バイアスをかけることができるため、放射される電磁波パルスの強度を高めることができる。また、任意の箇所に逆バイアス用電磁波パルスを照射することで、任意の箇所に逆方向バイアスをかけることができる。また、ｎ型半導体からｐ型半導体へ向かう方向の電界を付与することで、逆方向バイアスをかけることができる。したがって、電磁波パルスの電界強度を適切に高めることができる。

第２の態様に係る半導体検査装置によると、レーザパルス光の光源を利用することができるため、装置の構成要素の数を減らすことができる。また、レーザパルス光と逆バイアス用電磁波パルスとを同期させて照射位置に照射することが容易となる。

第３の態様に係る半導体検査装置によると、照射位置の半導体の構造を特定することで、逆方向バイアスをかけるために、どの方向の電界を付与すればよいかを適切に決定することができる。

第４の態様に係る半導体検査装置によると、半導体デバイスの所定範囲にわたって、レーザパルス光を照射する検査を行うことができる。

第１実施形態に係る半導体検査装置の概略構成図である。 逆バイアス用電磁波パルス（上）およびレーザパルス光（下）の時間波形を示す図である。 照射位置に順方向バイアスがかけられたときの光励起キャリアの移動について説明するための図である。 照射位置に逆方向バイアスがかけられたときの光励起キャリアの移動について説明するための図である。 半導体検査装置における半導体デバイスの検査の流れ図である。 照射位置から放射される電磁波パルス３を検出する際の詳細な流れ図である。 逆方向バイアスがかけられたときの電磁波パルス（実線）と、かけられていないときの電磁波パルス（破線）の時間波形を示す図である。 太陽電池パネルの概略断面図である。

以下、図面を参照して実施形態を詳細に説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成要素はあくまでも例示であり、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

｛１． 第１実施形態｝
図１は、第１実施形態に係る半導体検査装置１００の概略構成図である。半導体検査装置１００は、デバイス走査台１２、レーザパルス光源１４、集光レンズ１５、偏光素子１６、検出部１７、電磁波パルス照射部１８、偏光素子１９および制御部２０を備えている。

半導体検査装置１００は、デバイス走査台１２に保持された基板１に形成されている半導体デバイスに対して、レーザパルス光源１４から出射されるレーザパルス光２を照射する。そして半導体検査装置１００は、その照射に応じて基板１から放射される電磁波パルスの電界強度を検出部１７にて検出するように構成されている。

例えば、基板１に形成されている半導体デバイスのｐｎ接合部付近では、電子と正孔とが互いに拡散して結びつく拡散電流が生じることによって、ｐｎ接合部付近に電子と正孔とが少ない空乏層が形成されている。この領域では、電子と正孔をそれぞれｎ型、ｐ型領域に引き戻す力が生じており、電界（内部電界）が生じている。このｐｎ接合部に禁制帯幅を超えるエネルギーを持つ光が照射されると、内部電界によって光電子がｎ型半導体側に移動し、取り残された正孔がｐ型半導体へ移動する。つまり、光励起キャリア発生領域（空乏層など）にレーザパルス光が照射されることで、光励起キャリアが内部電界により加速されて移動する。これにより、パルス状の電流が発生することとなる。

ここで、電流に時間変化が生じた場合、Ｍａｘｗｅｌｌの方程式にしたがって、電磁波が発生する。この電磁波は、空乏層などの光励起キャリア発生領域の特性に応じて放射されるため、検出された電磁波を解析することによって、光励起キャリア発生領域の特性を検査することができる。半導体検査装置１００は、この原理に基づき、基板１に向けて所定波長のレーザパルス光を照射に応じて放射される電磁波パルスを検出するように構成されている。

また、光励起キャリア発生領域に、外部から電圧が印加されることで、逆方向バイアスがかけられている場合、より多くの光励起キャリアを移動させることができる。このため、発生する電磁波パルスの電界強度も相対的に大きくなる。本実施形態に係る半導体検査装置１００は、高強度の電磁波パルス（逆バイアス用電磁波パルス４）の照射により、非接触状態で逆方向バイアスをかける。この詳細については後述する。

デバイス走査台１２は、基板１を保持し、基板１を２次元平面内で移動させる。これにより、基板１の様々な箇所にレーザパルス光２を照射することができる。デバイス走査台１２の移動機構は、例えば、リニアモータなどの駆動源によって駆動されるＸ−Ｙテーブルなどで構成することができる。デバイス走査台１２によって、基板１を２次元平面内で移動させることにより、レーザパルス光２の照射位置１０を基板１に対して相対的に移動させ、２次元的に走査することができる。本実施形態では、デバイス走査台１２が走査機構を構成している。

なお、レーザパルス光源１４などを制御することによって、基板１上におけるレーザパルス光２の照射位置１０を変更できるようにしてもよい。また、図示を省略するが、デバイス走査台１２は、上記二次元平面に直交する方向（ここでは、上下方向）にも移動可能に構成されている。基板１を上下に移動させることにより、基板１とレーザパルス光源１４、または、基板１と電磁波パルス照射部１８との間の距離を調整することができる。

レーザパルス光源１４は、レーザパルス光２を発生する。集光レンズ１５は、レーザパルス光源１４にて発生したレーザパルス光２を、基板１上に集光させる。本実施形態では、レーザパルス光源１４と集光レンズ１５とによって、第一照射部が構成されている。なお、基板１に損傷を与えず、かつ、ｐｎ接合部や金属半導体界面などビルトイン電界の発生箇所に確実に照射することができるように、レーザパルス光２を基板１の裏面（半導体形成面の反対側の面）から照射することが好ましい。

レーザパルス光源１４は、例えば、０．３μｍ〜２μｍ（より好ましくは、０．３μｍ〜１．６μｍ）に含まれる波長のレーザパルス光２を発生する。ここで、レーザパルス光２の波長は、例えば基板１のバンドキャップに応じて選択されることが好ましい。例えば、基板１の主成分がＳｉ（シリコン）基板である場合、レーザパルス光２が近赤外（例えば、波長が１．５μｍ以下）から可視光の範囲にあることが好ましい。また、基板１がＳｉＣ（炭化ケイ素）基板などのワイドギャップ半導体の場合、レーザパルス光２が紫外光（４５０μｍ以下）であることが好ましい。

また、特許文献１にも記載されているように、レーザパルス光２は、時間平均のエネルギーが０．１ｍＷ以上、１０Ｗ以下であり、パルス幅が１フェムト秒以上、１０ピコ秒以下であることが好ましい。このようなパルス幅の小さいレーザパルス光２を用いることにより、基板１に形成された半導体デバイス（集積回路）に損傷を与えないで、電磁波パルス３を励起させることができる。

また、レーザパルス光２の波長が２μｍを越える場合、時間平均のエネルギーが１０Ｗを越える場合、または、パルス幅が１０ピコ秒を越える場合、レーザパルス光２のレーザ強度が強すぎるために基板１に損傷を与える虞がある。したがって、レーザパルス光２の波長、時間平均のエネルギーおよびパルス幅は、上記条件に合わせて設定されることが望ましい。

偏光素子１６は、検出部１７に入射する電磁波パルス３の偏光方向を検出するための素子である。検出部１７は、基板１上におけるレーザパルス光２が照射された位置（照射位置）から、レーザパルス光２の照射に応じて放射される電磁波パルス３の電界強度を検出する。このため検出部１７は、非線形光学結晶または光伝導スイッチなどの検出器によって電磁波パルス３を検出する。

より詳細には、レーザパルス光源１４から出射されるレーザパルス光の一部は、プローブ光として検出部１７に設けられた検出器に照射される。このプローブ光が検出器に照射された瞬間に検出器に到達している電磁波パルス３の電界強度に応じた信号が、検出器から出力される。このプローブ光が検出器に到達するタイミングを、電磁波パルス３が検出器に到達するタイミングに対して相対的に早めたり遅延させたりさせることで、電磁波パルス３の時間波形を復元することができる。この復元された電磁波パルス３の時間波形をフーリエ変換することによって、電磁波パルス３のスペクトルを取得することもできる（テラヘルツ時間領域分光）。プローブ光が検出器に到達するタイミングの変更は、例えばプローブ光の光路長（光学的距離）を変更することで実現可能である。

なお、検出する電磁波パルス３の周波数を１ＴＨｚ（テラヘルツ）以下とするような場合は、検出器としてショットキーダイオードを利用することもできる。

電磁波パルス照射部１８は、逆バイアス用電磁波パルス４を発生させる。電磁波パルス照射部１８から出射された逆バイアス用電磁波パルス４は、途中に設けられた偏光素子１９を通過することで、その偏光方向が一方向に合わせられる。偏光方向が調整された逆バイアス用電磁波パルス４は、基板１のレーザパルス光２が照射される照射位置１０に照射される。逆バイアス用電磁波パルス４を照射することによって、電界を照射位置１０に対して付与することができる。本実施形態では、電磁波パルス照射部１８と偏光素子１９とによって、第二照射部が構成されている。

高強度のテラヘルツ波（周波数が０．０１〜１０ＴＨｚの電磁波）を発生させる技術は、これまでにも報告されている（斗内政吉監修、「テラヘルツ波新産業」、シーエムシー出版、（２０１１）２２６参照）。具体的に、ピーク電場値が１００ｋＶ／ｃｍ〜１ＭＶ／ｃｍであるテラヘルツ波パルスを利用することが可能となっている。この電場値は、トランジスタの内部電場（１〜１０ｋＶ／ｃｍ）よりも遥かに大きく、半導体の絶縁破壊を招く程の高強度の電場値（３００〜６００ｋＶ／ｃｍ）となっている。本実施形態では、この技術を利用して、高強度のテラヘルツ波パルスを逆バイアス用電磁波パルス４として電磁波パルス照射部１８から出射させる。詳細には、レーザパルス光源（フェムト秒レーザー）から出射されるレーザパルス光を非線形光学結晶に照射して、該非線形光学結晶からテラヘルツ領域の逆バイアス用電磁波パルス４を発生させる。

半導体検査装置１００においては、レーザパルス光２の光軸（光束の中心軸）と逆バイアス用電磁波パルス４の光軸とが、相互に一致しないように設定されている。具体的に、本実施形態では、レーザパルス光２は、デバイス走査台１２上に設置された基板１の主面（表面）に対して入射角４５度となるように照射される。これに対して逆バイアス用電磁波パルス４は、基板１の主面に対して入射角９０度となる（つまり、垂直となる）ように照射される。さらに、本実施形態では、検出部１７は、基板１の主面に対して反射角４５度で放射される電磁波パルス３を検出するように配置されている。ただし、レーザパルス光２、逆バイアス用電磁波パルス４を照射する入射角や、電磁波パルス３を検出する反射角は、これらに限定されるものではなく、適宜変更してもよい。

制御部２０は、図示を省略するＣＰＵやＲＡＭなどの一般的なコンピュータとしての構成を備えている。制御部２０は、デバイス走査台１２、レーザパルス光源１４、偏光素子１６、検出部１７、電磁波パルス照射部１８および偏光素子１９に接続されており、これらの動作を制御したり、これらが出力する各種信号を受け取ったりする。また、制御部２０は、同期信号発生部２１、構造特定部２２、信号処理部２３、比較検査部２４、記憶部２５、入力部２６および表示部２７に接続されている。

同期信号発生部２１、構造特定部２２、信号処理部２３、比較検査部２４は、専用回路で構成されていてもよい。しかしながら、その一部または全部が、制御部２０のＣＰＵがＲＡＭ上に展開されたプログラム（検査ソフトウェア）を実行することにより、機能的構成要素として実現されてもよい。このようなプログラムは、例えば記憶部２５（または図示しないＲＯＭ）などに、呼び出し可能な状態で格納される。

同期信号発生部２１は、半導体検査装置１００の各構成が同期して動作するためのタイミング信号を発生させる。タイミング信号は、制御部２０に送られて、各構成要素を同期させて制御するために利用される。

構造特定部２２は、ＣＡＤデータ、または赤外光などから得られる情報から、基板１上の検査をする箇所（つまり、レーザパルス光２が照射される照射位置１０）における半導体の構造を特定する。本実施形態では、構造特定部２２によって特定された構造に基づき、逆バイアス用電磁波パルス４によって、照射位置に付与される電界の向きが決定される。この詳細については、後述する。

信号処理部２３は、検出部１７が検出した検出信号を処理する。具体的には、信号処理部２３は、検出部１７の検出信号から電磁波パルス３の電界強度を取得したり、電磁波パルス３の時間波形を復元したり、復元された時間波形をフーリエ変換して周波数指紋スペクトルを取得したりする。

比較検査部２４は、信号処理部２３によって取得されたデータ（検査データ）と予め用意されている良品データとを比較する。比較検査部２４は、この検査データと良品データとの比較した際に、判定用の閾値を越えた場合、検査された基板１が不良品であると判定する。この判定用の閾値は、予め規定値として定められていてもよいし、あるいは、ユーザの入力操作に基づいて設定されていてもよい。また、比較検査部２４による判定は、基板１のダイ単位で行われてもよいし、ＬＳＩ単位で行われてもよい。

記憶部２５は、データを記憶するハードディスクのストレージで構成されている。なお、その他の可搬性を有する記憶媒体（例えば、ＣＤ，ＤＶＤなどの光学メディア、ＭＯなどの磁気メディア、ＵＳＢメモリ）で構成されていてもよい。なお、制御部２０と記憶部２５とが、図示を省略するネットワークを介して接続されていてもよい。

入力部２６は、キーボードまたはマウスなどの各種入力デバイスで構成される。半導体検査装置１００のユーザは、入力部２６を介して様々な入力（各種設定値の入力など）を行うことができる。また、表示部２７は、液晶ディスプレイなどで構成される。なお、表示部２７をタッチパネルなどで構成することで、表示部２７に入力部２６としての機能を持たせてもよい。

図２は、逆バイアス用電磁波パルス４（上）およびレーザパルス光２（下）の時間波形を示す図である。図２において、横軸は時間軸を示しており、縦軸は電界強度を示している。

図２に示したように、逆バイアス用電磁波パルス４は、時間経過とともに、電界強度が正方向および負方向に変化する波形形状を有している。ここで、電界強度が正方向において最大となるタイミングをＴ１とし、電界強度が負方向において最大となるタイミングをＴ２とする。すると、タイミングＴ１またはタイミングＴ２に合わせて逆バイアス用電磁波パルス４が照射位置１０に到達させれば、逆バイアス用電磁波パルス４が与えうる最大強度の電界を照射位置１０に付与することができる。ただし、タイミングＴ１とタイミングＴ２とでは、付与される電界の方向が互いに逆向きとなる。

そこで、照射位置１０に対して、付与する電界の方向を適切に設定すると、逆バイアス用電磁波パルス４によって電界を付与したときに、該照射位置１０に、逆方向バイアスをかけることができる。この場合、レーザパルス光２の照射に応じて発生する電磁波パルス３の電界強度を強めることができる。

本実施形態では、図２に示すように、ある照射位置１０に対して、タイミングＴ１またはタイミングＴ２の状態の逆バイアス用電磁波パルス４が照射された瞬間（つまり最大強度の逆方向バイアスがかかった瞬間）に同期して、レーザパルス光２が照射されるようにする。このように、レーザパルス光２と逆バイアス用電磁波パルス４と同期させて照射する。これにより、逆バイアス用電磁波パルス４の照射により発生しうる最も強い逆方向バイアスをかけた状態で、電磁波パルス３を放射させることができる。

ここで、逆バイアス用電磁波パルス４を照射する部分に対して、逆方向バイアスをかけるためには、半導体の種類（ｐ型またはｎ型）に応じて、与える電界の方向を制御する必要がある。この点について、図３および図４を参照しつつ説明する。

図３は、照射位置１０に順方向バイアスがかけられたときの光励起キャリアの移動について説明するための図である。また図４は、照射位置１０に逆方向バイアスがかけられたときの光励起キャリアの移動について説明するための図である。図３および図４において、断面図で示した基板１は、ｐ型半導体であるＳｉ基板７１の表面にｎ型拡散領域７２が形成されており、該ｎ型拡散領域７２の表面にｐ型拡散領域７３，７４がそれぞれ形成された構造を有している。また、ｐ型拡散領域７３，７４には、それぞれ電極７５，７６が取り付けられている。

なお、図３および図４では、ｐ型拡散領域７３を照射位置１０として、該照射位置１０から電磁波パルス３を発生させる様子を示している。また、図３および図４では、ｐ型拡散領域７３とｎ型拡散領域７２との接合部分であるｐｎ接合部７７におけるエネルギー準位を下側に図示している。

図３では、タイミングＴ１のとき（つまり正方向に関して電界強度が最大となるとき）の逆バイアス用電磁波パルス４が、照射位置１０に照射されている。この場合、照射位置１０（ｐ型拡散領域７３）に正電圧が印加されることとなる。つまり、ｐ型拡散領域７３からｎ型拡散領域７２に向かうｐｎ方向の外部電界Ｅが付与されていることになる。この場合、エネルギー準位の図に示したように、ｐ型拡散領域７３の正孔８２と、ｎ型拡散領域７２の電子８１とが接合部７７にて再結合しやすくなっており、ｐ型拡散領域７３とｎ型拡散領域７２との間に生じる電位差が小さくなっている（順方向バイアス）。このため、この瞬間にレーザパルス光２を照射しても、発生する電磁波パルス３は比較的弱いものとなっている。

これに対して、図４では、タイミングＴ２のとき（つまり負方向に関して電界強度が最大となるとき）の逆バイアス用電磁波パルス４が、照射位置１０に照射されている。この場合、外部から照射位置１０（ｐ型拡散領域７３）に負電圧が印加されることとなる。つまり、ｎ型拡散領域７２からｐ型拡散領域７３に向かうｎｐ方向の外部電界Ｅが付与されることになる。この場合、エネルギー準位の図に示したように、ｐ型拡散領域７３とｎ型拡散領域７２との間で、比較的大きな電位差が生じる（逆方向バイアス）。つまり、電極７５に正電圧（逆バイアス電圧）を印加した状態を、逆バイアス用電磁波パルス４の照射によって非接触で実現している。この状態で照射位置１０にレーザパルス光２が照射されると、逆バイアス用電磁波パルス４を照射しない場合に比べて、高強度の電磁波パルス３を発生させることができる。

以上のように、逆方向バイアスをかけるために、照射位置１０に与える電界の方向は、照射位置１０の半導体の構造によって異なってくる。つまり、逆バイアス用電磁波パルス４の照射部分がｐ型半導体である場合には、負電圧が印加されるように、ｐ型半導体でない場合（つまりｎ型半導体の場合）には、正電圧が印加されるようにすれば、逆方向バイアスをかけることができる。なお、逆バイアス用電磁波パルス４によって照射位置１０に付与される電界の向きは、逆バイアス用電磁波パルス４が照射位置に到達するタイミングを変えることで調整することができる。

逆バイアス用電磁波パルス４が照射位置１０に到達するタイミングを調整するため、電磁波パルス照射部１８は、逆バイアス用電磁波パルス４の光路長を変更させる光路長変更部（図示せず。）を備えている。この光路長変更部は、非線形結晶または光伝導スイッチなどの電磁波パルス発生器から基板１の照射位置１０までの光路長を変更する。この光路長変更部によって逆バイアス用電磁波パルス４の光路長を変更することで、逆バイアス用電磁波パルス４の到達タイミングを変更することができる。ただし、レーザパルス光源から電磁波パルス発生器までのレーザパルス光の光路長を変更することにより、逆バイアス用電磁波パルス４が電磁波パルス照射部１８から出射されるタイミングを変更してもよい。この場合においても、逆バイアス用電磁波パルス４が照射位置１０へ到達タイミングを変更することができる。

なお、逆バイアス用電磁波パルス４の照射位置１０に到達したときの電界強度を直接測定することは困難である。このため、タイミングＴ１およびタイミングＴ２に対応する光路長を決定するためには、逆バイアス用電磁波パルス４の光路長を変えながら、レーザパルス光２を照射したときに発生する電磁波パルス３の電界強度を取得すればよい。具体的に、ｐ型半導体を照射位置１０に設定した場合、電磁波パルス３の電界強度が最大となるときが、最大強度の逆方向バイアスがかかったときに相当する。ｐ型半導体において逆方向バイアスをかけるためには、負電圧を印加する必要がある。すなわち、このときの光路長が、タイミングＴ２に相当することとなる。また、照射位置１０をｎ型半導体に設定し、逆バイアス用電磁波パルス４の光路長を変えながら電磁波パルス３を測定することで、タイミングＴ１に相当する光路長を取得することができる。

また、照射位置１０に対して逆バイアス用電磁波パルス４が到達するタイミングを固定し（つまり、逆バイアス用電磁波パルス４の光路長を固定し）、レーザパルス光２が到達するタイミングを変更するようにしてもよい。この場合、逆バイアス用電磁波パルス４が照射位置１０の部分に付与する電界強度が最大となるタイミングに合わせて、レーザパルス光２が到達するタイミングを調整すればよい。レーザパルス光２が照射位置１０に到達するタイミングは、レーザパルス光２の光路長を変更することで調整することができる。

また、本実施形態では、電界強度が最大となる（つまり、タイミングＴ１またはタイミングＴ２の状態）の逆バイアス用電磁波パルス４が照射位置１０に到達した瞬間に、レーザパルス光２が照射されるようにしている。しかしながら、レーザパルス光２を照射するときに、必ずしも電界強度が最大となっている逆バイアス用電磁波パルス４が照射されている必要はない。つまり、所定値以上の強さを持つ電界強度の逆バイアス用電磁波パルス４が照射位置１０に照射された瞬間に、レーザパルス光２が照射位置１０に照射されるようにしてもよい。

また、レーザパルス光源１４がフェムト秒レーザで構成されている場合、電磁波パルス照射部１８の光源として、レーザパルス光源１４を利用することができる。この場合、レーザパルス光源１４から出射されたレーザパルス光を、ビームスプリッタなどで２つに分割し、一方を基板１へ、他方を電磁波パルス照射部１８へ入射するようにすればよい。このように光源を共通化することで、基板１の照射位置１０に対して、レーザパルス光２と逆バイアス用電磁波パルス４とを容易に同期させて照射することができる。また、装置の構成要素の数を減らすことができ、よって、装置コストを低減することができる。

次に、半導体検査装置１００における基板１の検査の流れについて説明する。

図５は、半導体検査装置１００における半導体デバイスの検査の流れ図である。半導体デバイスの検査が開始されると、半導体検査装置１００のデバイス走査台１２に、基板１が設置される（ステップＳ１）。

基板１が設置されると、半導体検査装置１００は、照射位置を設定する（ステップＳ２）。本実施形態では、デバイス走査台１２によって平板状の基板１を二次元平面内で移動させる。そのため、半導体検査装置１００は、レーザパルス光２を照射する照射位置１０を照射開始位置に合うように、基板１を移動させる。

半導体検査装置１００は、照射位置１０を設定した後、該照射位置に向けてレーザパルス光２を照射するとともに、逆バイアス用電磁波パルス４を照射する。そしてレーザパルス光２の照射に応じて基板１から放射される電磁波パルス３を検出部１７によって検出する（ステップＳ３）。このときステップＳ３の詳細については、後に詳述する。

ステップＳ３において電磁波パルス３を検出する際、電磁波パルスの時間波形を復元するためのデータを収集するようにしてもよい。上述したように、検出部１７の検出器に入射させるプローブ光が到達するタイミングを、電磁波パルス３が到達するタイミングに対して遅延させることで、電磁波パルス３の時間波形を復元するための電界強度データを収集することができる。なお、プローブ光の到達するタイミングを電磁波パルス３に対して固定して、電磁波パルス３の電界強度を検出するようにしてもよい。この場合、電磁波パルス３の時間波形を復元することはできないが、電磁波パルス３の電界強度を限られたタイミングのみでサンプリングするため、検査を高速に行うことができる。

ステップＳ２にて設定された照射位置１０に関して、電磁波パルス３の検出が完了すると、半導体検査装置１００は、照射位置１０を変更するか判定する（ステップＳ４）。照射位置１０を変更して検査する必要がある場合には、半導体検査装置１００は、ステップＳ２に戻る。そして、基板１を移動させることによって、照射位置１０を変更する。検査すべき箇所がない場合には、半導体検査装置１００は、ステップＳ５へ進む。

なお、半導体検査装置１００において、基板１の局所のみを検査することも可能である。このような場合、半導体検査装置１００は、ステップＳ２，Ｓ３によってその局所位置にレーザパルス光２を照射し、電磁波パルス３を検出した後、ステップＳ４をスキップしてステップＳ５へ進めばよい。

電磁波パルス３の検出が完了すると、半導体検査装置１００は、検出結果の解析を行う（ステップＳ５）。詳細には、テラヘルツ時間領域分光に基づいて、周波数指紋スペクトルを取得するスペクトル解析が行われる。なお、ステップＳ３において、検出タイミングを固定して（つまりプローブ光の光路長を固定して）電磁波パルス３を検出した場合は、そのプローブ光が入射した瞬間の電磁波パルス３の電界強度のみが取得される。この場合、電磁波パルス３の時間波形は復元されないため、ステップＳ５はスキップされる。

また、半導体検査装置１００は、検出結果を表現した画像を生成する（ステップＳ６）。具体的には、電磁波パルス３の電界強度分布を表す画像、または、スペクトル分析に基づき、特定周波数帯のスペクトル強度分布を表した画像などが生成される。また、ステップＳ３において検出タイミングが固定されていた場合は、検出された電磁波パルス３の電界強度の分布を表した画像などが生成される。ステップＳ６において生成された画像は、表示部２７に適宜表示されるようにしてもよい。

また半導体検査装置１００は、検査により取得された検査データと、あらかじめ用意されている良品データとの比較する比較検査を行う（ステップＳ７）。具体的には、電磁波パルス３の電界強度分布の相違、または、スペクトル分布の相違などから、検査した基板１が良品であるかどうかが比較検査部２４により判定される。

次に、ステップＳ３の詳細な流れについて、図６を参照しつつ説明する。

図６は、照射位置１０から放射される電磁波パルス３を検出する際の詳細な流れ図である。ステップＳ３が開始されると、最初に、この照射位置１０の半導体の構造が、構造特定部２２により特定される。ここでは、ＣＡＤデータに基づいて、その照射位置１０がｐ型半導体であるかまたはｎ型半導体であるかが特定される（ステップＳ３１）。ここで、ＣＡＤデータと実際の半導体との位置を関連付ける際に、赤外線カメラあるいは赤外線顕微鏡で取得した撮像データを利用すればよい。赤外線は、可視光に比べてＳｉへの透過率が高いため、半導体の構造（形状など）を特定するのに有効である。これにより、パルスレーザ光２および逆バイアス用電磁波パルス４の照射位置を特定できる。

半導体の構造が特定されると、逆バイアス用電磁波パルス４によって付与される電界の向きがｎ型半導体からｐ型半導体に向かうように、逆バイアス用電磁波パルス４が照射される（ステップＳ３２）。このようにｎｐ方向の電界を付与することによって、照射位置１０の部分に逆方向バイアスをかけることができる。そして、逆方向バイアスがかかっている瞬間に、レーザパルス光２が照射され、それに応じて放射される電磁波パルス３の電界強度が検出部１７によって検出される（ステップＳ３３）。

図７は、逆方向バイアスがかけられたときの電磁波パルス３（実線）と、かけられていないときの電磁波パルス３（破線）の時間波形を示す図である。図７に示したように、逆方向バイアスがかけられることによって、電磁波パルス３の振幅を増大させることができる。したがって、検出部１７による検出感度を非接触状態で向上させることができる。

また、半導体検査装置１００によると、逆バイアス用電磁波パルス４は、基板１の任意の場所に照射することができる。つまり、任意の場所に逆方向バイアスをかけることができる。従来は、外部の電圧印加回路に接続して逆バイアス電圧を印加するため、電圧印加回路を接続できる場所が限定されてしまっていた。しかしながら、半導体検査装置１００においては、基板１の様々な箇所に逆バイアス電圧を印加することができるため、非接触状態での基板１の検査範囲を広げることができる。

なお、半導体検査装置１００は、半導体デバイスとしてフォトデバイスが形成されている基板の検査にも適用できる。フォトデバイスとは、可視光を含む光を電流に変換するものであり、具体的には、太陽電池、ＣＭＯＳセンサやＣＣＤセンサなどのイメージセンサなどが挙げられる。

図８は、太陽電池パネル１ａの概略断面図である。図８に示した太陽電池パネル１ａは、薄膜結晶シリコン系である太陽電池パネルとして構成されている。太陽電池パネル１ａは、下から順にアルミニウムなどで形成された平板状の裏面電極９２と、ｐ型シリコン層９３と、ｎ型シリコン層９４と、反射防止膜９５と、格子状の受光面電極９６とで構成される積層構造を有する結晶シリコン系太陽電池として構成されている。反射防止膜９５は、酸化シリコン、窒化シリコンまたは酸化チタンなどで形成されている。太陽電池パネル１ａの主面のうち、受光面電極９６が設けられている側の主面が、受光面９１Ｓとなっている。つまり、太陽電池パネル１ａは、受光面９１Ｓ側から光を受けることで発電するように設計されている。受光面電極９６には、透明電極が用いられていてもよい。

また、ｐ型シリコン層９３とｎ型シリコン層９４との接合部分は、空乏層が形成されるｐｎ接合部９７となっている。このｐｎ接合部９７を検査するためには、この付近にレーザパルス光２の照射位置１０ａを設定し、レーザパルス光２の照射に応じて放射される電磁波パルス３を検出すればよい。このとき、逆バイアス用電磁波パルス４をレーザパルス光２に同期させて照射することで、逆方向バイアスをかけることができる。したがって、高強度の電磁波パルス３を発生させることができる。

なお、太陽電池パネル１ａは、ｐ型シリコン層９３とｎ型シリコン層９４とが上下に重ねられた比較的単純な構造を有している。したがって、照射位置１０ａが設定された部分が、ｐ型半導体であるかｎ型半導体であるかを特定し易くなっている。したがって、ＬＳＩなどの非常に複雑な半導体デバイスを検査する場合に比べて、逆方向バイアスをかけることが容易となっている。

また、太陽電池パネル１ａの受光面９１Ｓは、光の反射損失を抑えるために、所要のテクスチャー構造を有している。具体的には、異方性エッチングなどにより形成される数μｍ〜数十μｍの凹凸、または機械的方法によるＶ字状の溝などが形成されている。このように、太陽電池パネル１ａの受光面９１Ｓは、一般的に、できるだけ効率良く採光できるように形成されている。したがって、所定波長のレーザパルス光２が照射されたときに、レーザパルス光２が内部のｐｎ接合部９７に届きやすい。例えば、太陽電池パネルの場合、主に可視光の波長領域を有する波長１μｍ以下の光であれば、ｐｎ接合部９７に容易に到達し得る。このように、フォトデバイスは、半導体検査装置１００において、レーザパルス光２を照射して検査するのに好適である。

｛２． 変形例｝
以上、実施形態について説明してきたが、本発明は上記のようなものに限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

例えば上記実施形態では、レーザパルス光２の光軸と逆バイアス用電磁波パルス４の光軸とが一致しないようにしている。しかしながら、これら光軸を一致させて基板１に照射するようにしてもよい。この場合、信号処理部２３によって取得される周波数指紋スペクトルから、基板１から発生する電磁波パルス３を抽出するようにすればよい。具体的に、逆バイアス用電磁波パルス４が、１〜４ＴＨｚにピーク強度を持つようにする。そして、基板１がＳｉ基板で構成される場合には、電磁波パルス３について、０．１ＴＨｚから０．５ＴＨｚの成分を解析すれば、逆バイアス用電磁波パルス４の影響をほとんど受けずに検査を行うことができる。

また、上記各実施形態及び各変形例で説明した各構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わせることができる。

１００ 半導体検査装置
１ 基板
１ａ 太陽電池パネル
１０，１０ａ 照射位置
１２ デバイス走査台
１４ パルスレーザ光源
１５ 集光レンズ
１６ 偏光素子
１７ 検出部
１８ 電磁波パルス照射部
１９ 偏光素子
２ レーザパルス光
２０ 制御部
２１ 同期信号発生部
２２ 構造特定部
２３ 信号処理部
２４ 比較検査部
２５ 記憶部
２６ 入力部
２７ 表示部
３ 電磁波パルス
４ 逆バイアス用電磁波パルス
７２ ｎ型拡散領域（ｎ型半導体）
７３，７４ ｐ型拡散領域（ｐ型半導体）
７５，７６ 電極
７７ ｐｎ接合部
８１ 電子
８２ 正孔
９１Ｓ 受光面
９３ ｐ型シリコン層（ｐ型半導体）
９４ ｎ型シリコン層（ｎ型半導体）
９７ ｐｎ接合部
Ｅ 外部電界

Claims (5)

1. ｎ型半導体及びｐ型半導体を有する半導体デバイスを検査する半導体検査装置において、
   半導体デバイスに対してレーザパルス光を照射する第一照射部と、
   前記レーザパルス光が照射される照射位置に対して、付与される電界の向きがｎ型半導体からｐ型半導体へ向かう方向である逆方向バイアスをかけるための逆バイアス用電磁波パルスを照射する第二照射部と、
   前記レーザパルス光の照射に応じて前記照射位置から放射される電磁波パルスを検出する検出部と、
   を備える半導体検査装置。
2. 請求項１に記載の半導体検査装置において、
   前記第二照射部は、前記レーザパルス光を発生させる光源と同一の光源を利用して、前記逆バイアス用電磁波パルスを発生させる半導体検査装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の半導体検査装置において、
   前記照射位置における半導体の構造を特定する構造特定部、
   をさらに備える半導体検査装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の半導体検査装置において、
   前記レーザパルス光の照射位置を移動させることにより、半導体デバイスを二次元的に走査する走査機構、をさらに備える半導体検査装置。
5. ｎ型半導体及びｐ型半導体を有する半導体デバイスを検査する半導体検査方法において、
   (a) 所要の波長を有するレーザパルス光を半導体デバイスに照射する工程と、
   (b) 前記(a)工程において、前記レーザパルス光が照射される照射位置に対して、付与される電界の向きがｎ型半導体からｐ型半導体へ向かう方向である逆方向バイアスをかけるために、逆バイアス用電磁波パルスを照射する工程と、
   (c) 前記(a)工程において、前記レーザパルス光の照射に応じて前記照射位置から放射される電磁波パルスを検出する工程と、
   を含む半導体検査方法。

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